純電動汽車有一個傳統方案無法解決的重量問題
- 楊竣宇／台北
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許多純電動汽車比內燃機汽車（ICE）重33%。美國國家運輸安全委員會主席指出：「福特F-150Lightning比非電動版本重2000到3000磅。」另外，美國國家經濟研究局（National Bureau of Economic Research） 發現，車輛每增加1,000磅，事故死亡風險就會增加約47%。
因此，汽車OEM廠商在嘗試設計續航里程更長、安全性更高和電子內容更多的純電動汽車時，面臨嚴峻的限制條件。這是該產業有史以來面臨的最嚴峻研發挑戰之一。
儘管面臨巨大的挑戰，但如果電動汽車中的傳統超重供電網路（PDN）被48V區域架構（zonal architecture）取代，其中48V母線取代原有12V系統，則可減少OEM廠商、消費者和立法者的這些擔憂。部署由高密度電源模組支援的區域架構，將以3種方式減輕重量。這種新架構將實現從粗線束到細線束的過渡，可將線束重量減少 85%。
此外，低壓輔助電池可拆除並使用電源模組進行虛擬化，從而可完全消除電池重量。最後，使用電源模組進行PDN升級，可最佳化熱管理系統，從而將其重量減少33%。因此，採用分散式架構替代傳統集中式架構，可顯著減輕重量，還可提高整體電力系統效率。
因此，採用分散式架構替代傳統集中式架構，可顯著減輕重量，還可提高整體電力系統效率。目前的純電動汽車由主高壓電池（通常為 400V或800V）供電，不僅需要為電動牽引馬達供電，而且還需要為大量低壓負載供電，如空調、加熱座椅和資訊娛樂系統等。PDN會將高壓降至48V及12V輔助電池電壓，為這些子系統供電。
根據歐姆定律，轉而採用48V分散式架構將帶來一個機會： 功率=電流×電壓。功率輸出相同時，12V電源需要的電流是48V電源的四倍。因此，12V導線一般也比48V導線粗四倍。
採用48V：對於純電動汽車而言，是一項期盼已久的明顯改進
終結12V集中式架構
自20世紀60年代以來，12V集中式系統一直是汽車使用的傳統電源架構。該架構由一個龐大的銀盒外殼組成，其中包含一系列分立式元件，例如所有將高壓（HV）轉換成48V至12V的DC-DC轉換器等。這個系統需要使用粗重的導線將12V電流傳輸至負載點。此外，由於傳統的DC-DC轉換效率低，這種集中式電源系統會從銀盒產生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會增加更多的重量。
要過渡到48V，可在端點位置使用高密度電源模組，以便在負載點高效轉換為12V。這使OEM廠商能夠隨著時間的推移，高度靈活地逐漸將12V負載器件過渡到48V。這有助於在對系統架構干擾最小的情況下，快速實現使用48V的優勢。
48V分散式架構降低熱損耗、減少電流
這種新穎的48V分散式架構系統利用了歐姆定律，是產業轉變的典範，其中DC-DC轉換發生在更靠近負載點的位置，而不是在中央銀盒（Silver Box）內完成。在該方案中，高壓至48V的轉換有助於將安全的48V用作整個車輛的母線電壓。48V至12V的轉換在負載點位置進行。透過48V而非12V傳輸電流，導線可以更細、更輕，很明顯，成本也會更低（圖 2）。這種更細、更靈活的導線也更容易在車內布局。此外，這種方法可將與DC-DC轉換器有關的熱損耗均勻地分布在整個車上，從而可使用安裝在底盤上的熱傳導及空氣對流散熱系統的潛能。
檢視減少的重量
48V分散式架構不僅可更加支援純電動汽車日益成長的動力需求，同時還可採用3種方法減輕汽車重量
線束：重量銳減約85%
升級到48V分區架構，意味著傳統的273克/公尺的12V、4號電線將被27克/公尺的48V、10號電線取代。這可減輕大約85%的導線重量。
電源模組的分散式架構可加速DC-DC轉換器的暫態響應，從而建立虛擬電池。因此，12V/48V分散式電源模組不僅可複製12/48V低壓電池的特徵，同時完全消除了實體12V電池，減輕了100%的重量。
用區域系統取代集中式系統，可將48V至12V電源轉換從銀盒移至負載點。改進後採用高密度電源模組提供 48V輸出的電源系統盒將縮小達33%。因此，外殼重量可減輕多達三分之一（33%）。
在傳統12V集中式系統中，分立式元件會在其銀盒外殼內產生環境高溫。採用高密度電源模組的電源系統盒產生的熱量較少，而且負載點模組可在底盤上進行高效的通風散熱。這些改進可使液冷系統瘦身7%。
化重量為機遇
OEM廠商可使用分散式架構獲得各種優勢。為了說明這一點，請考慮減輕重量對增加行駛里程的影響。
車輛越重，能耗就越大，行駛里程也就越短。然而，如果將其用來增加電池尺寸，額外的重量就可降低對續航里程的影響。額外的電池提供更多的能量儲存，可增加續航里程。
在Vicor進行的一項研究中，高密度電源模組支援的分布架構可將車輛重量減輕40磅（表 1）。在該重量被 40磅的電池所取代時，在不增加淨重的情況下，電動汽車的行駛里程每年可增加4000英里。
這一點非常重要，因為美國聯邦公路管理局2023年的資料顯示，美國人平均每年開車的行駛里程為14,263 英里。因此，使用48V分散式架構可減少每年30%的充電時間（表 2），並增加車輛一次充電的行駛里程。
以創新消除重量疑慮電動汽車超重，這種趨勢既不能持續，也不利於電動汽車的整體發展。採用傳統銀盒和分立式元件的12V集中式架構需要升級到48V分散式架構，以最佳化電動汽車的供電網路和散熱管理系統。分散式架構可將每年的行駛里程增加4000英里，也可用於實現額外的安全或電子功能。
最高效的區域架構在負載點使用小型輕量級轉換器。高效的高功率密度模組是48V至12V轉換的最佳選擇。
鑒於目前複雜的汽車電力電子產品，OEM廠商不僅需要創造性地減輕重量，同時還需要提高效能。Vicor是高效能電源模組的領導者，始終致力於實現創新和創造。
Vicor精巧型電源模組、架構和拓撲為汽車OEM廠商提供高度靈活的可擴充電源解決方案，用於整個車輛的高壓電源轉換。易於部署的電源模組是原有集中式電源系統使用的傳統分立式設計的替代方案。此外，小巧精巧的電源模組也是48V區域架構顯而易見的選擇及合理補充，48V區域架構是汽車產業供電網路的未來。
